Чудеса природы. Снежинки
Каждый наблюдал, как искрится снег. То там, то здесь вспыхивают мириады ярких искорок. Это плоскости отдельных снежинок, действуя словно крошечные зеркальца, отражают падающий на снег свет луны или уличных фонарей. Давайте рассмотрим отдельную такую снежинку. Вряд ли вам удастся подхватить ее из сугроба, зато ее легко поймать на рукав шубы или на посадочную площадку варежки. Присмотритесь к этому чуду природы. Даже невооруженным глазом видно, что снежинка имеет шестиугольную форму. Если же рассмотреть ее через увеличительное стекло, вам откроется красивейшее зрелище – симметрия нежных игольчатых выростов, ажур кристаллических переплетений, переливающаяся разноцветными огнями ледяная миниатюрная плоскость. Снежинка похожа на таинственное белое колесико с шестью зубцами, на диковинную летающую тарелку, спланировавшую на землю из холодной высоты зимнего неба. Рассматривая ее, поневоле задаешься вопросом – почему же она шестиугольная? Как вообще вода, не обладающая ни формой, ни четкой внутренней структурой, может породить такое кристаллическое чудо?
Впервые этим детским вроде бы вопросом – почему снежинки имеют шестиугольную форму – заинтересовался Иоганн Кеплер. Тот самый, что открыл в начале XVII века эллиптическое движение планет и вывел его математические законы. Наиболее плодотворно Кеплеру удалось поработать в Праге, при дворе императора Рудольфа II, который финансировал его исследования. Деньги, конечно, перечислял не сам император, а его советник – Иоганн Маттей фон Вакенфельс. Именно ему Кеплер посвятил небольшое сочинение на латыни «О шестиугольных снежинках».
Сочинение Кеплера представляло собой не скучный научный трактат, а скорее исследование пытливого ума, преподнесенное в изящной словесной форме. Например, он мог отвлечься от философских размышлений и отметить: «Пока я писал эти строки, снова пошел снег, причем еще пуще прежнего. Я прилежно принялся разглядывать снежинки…». Кеплер не разгадал тайну снежинки, однако его исследование послужило развитию новой отрасли науки – кристаллографии.
Другим талантливым и увлеченным разглядывателем снежинок был американец Уилсон Бентли. Он родился в феврале 1865 года на ферме в маленьком городке Джерико на территории штата Вермонт. Мать маленького Уилсона была школьной учительницей. В ее доме было много книг и даже стоял небольшой микроскоп – прибор довольно дорогой и редкий для американской глубинки того времени. Однажды юному Бентли пришла в голову мысль рассмотреть под микроскопом снежинку. Он был поражен открывшимся ему дивным зрелищем. Много десятилетий спустя, уже на закате своей жизни, он вспоминал: «Через объектив микроскопа я увидел, что снежинки – это чудо красоты, и мне было обидно, что эту красоту не могут увидеть и оценить другие люди». Бентли решил поделиться этой красотой с окружающими. Он уговорил отца купить ему фотоаппарат ( в то время это тоже был весьма дорогой прибор) и начал снимать снежинки.
Сначала дело шло неважно. Уилсону пришлось потратить около двух лет, чтобы научиться получать четкие снимки. За это время в родном Джерико он успел снискать славу чудака и получил прозвище «Снежинка». Однако однажды фотографии Уилсона Бентли попали в руки Джорджу Перкинсу – одному из профессоров Университета в Вермонте. Пораженный их высоким качеством и количеством, он начал показывать их коллегам. Постепенно снимки Бентли стали использовать в качестве иллюстраций к различным научным статьям в США и Европе.
В 1931 году, под конец жизни. Бентли выпустил книгу «Кристаллы снега», для которой отобрал около двух с половиной тысяч фотографий. Всего же он сделал более пяти тысяч снимков снежинок. Эта работа увлеченного человека не принесла ему денег, зато Бентли вписал свое имя в историю науки.
На снимках Бентли все снежинки выглядели по-разному. Когда думаешь, что снегом бывает покрыто до 130 миллионов квадратных километров суши, а лишь в одном кубическом метра снега находится до 350 миллионов снежинок, - творческие способности природы поражают.
К середине XX века стало ясно, что не все снежинки имеют шестиугольную форму. В 1954 году специальной Комиссией снега и льда была разработана классификация снега. Помимо шестиугольных снежинок, в ней были и другие формы – иглы, столбики… Однако правильной, радиально-симметричной формой обладали именно шестиугольные снежинки.
Теперь мы можем объяснить, к чему сводится «душа» снежинки, о которой писал Кеплер. Она кроется в геометрии молекулы воды – Н2О. Входящие в ее состав электроны образуют «облако», которое имеет форму тетраэдра – фигуры, сложенной из четырех равносторонних треугольников. При комнатной температуре все эти тетраэдры толкутся кучно, как люди в метро – друг друга если и задевают, то прочных связей не образуют. Когда температура падает ниже нуля, молекулы воды, что называется, «берутся за руки», формируя прочную структуру. Геометрия молекул воды заставляет их при этом образовывать шестигранники. Так что прозорливый Кеплер был прав – душа некоторых вещей имеет свою красивую геометрию.
Когда снежинка растет, на гранях ее шестиугольника начинают появляться новые точки роста. Те, в свою очередь, дают начало новым ответвлениям… Помните, в рассказе о кругах на полях мы говорили о фракталах? Так вот, снежинка – наглядная иллюстрация фрактала. Можете сами такой изобразить с помощью карандаша и бумаги. Для этого нарисуйте равносторонний треугольник. К серединам его сторон пририсуйте такие же треугольники, но поменьше. Получится так называемая «звезда Давида». Ее периметр составлен из 12 равных отрезков. К середине каждого снова пририсуйте треугольничек – еще меньше. Дальше развлекаться в том же духе обычно не позволяет уже размер рисунка, зато существует компьютерная программа, которая такой процесс может проделывать с нарисованным треугольником сколь угодно долго.
Однако это всего лишь теоретические построения. А как снежинки растут на самом деле? В небе за этим процессом не понаблюдаешь… Впервые вырастить снежинку в лаборатории удалось японскому профессору Укихиро Накайя. Произошло это 12 марта 1936 года. Исследователь создал в городе Саппоро маленькую лабораторию, в которой построил холодильную камеру. В ней он мог менять в широких пределах температуру и влажность воздуха. Такой подход увенчался успехом. Теперь на месте лаборатории стоит небольшой памятник в честь первой снежинки, созданной по воле человека, а на берегу японского озера Кага по инициативе Укихиро Накайя создан Музей снега и льда.
Источник: Афонькин С.Ю. Чудеса природы. - Спб., 2010.
Комментарии
Отправить комментарий